淺談水工建筑物凍害破壞的原因及表現(xiàn)形式

周效冰

摘要：渠系建筑物一般為中小型，本身自重較小，抗凍脹力弱。因此，受凍害破壞比較普遍，目前已成為我國(guó)北方地區(qū)水工建筑物設(shè)計(jì)和管理中較難解決的問題之一。季節(jié)性凍土地區(qū)水工建筑物凍害原因很多。歸納起來(lái)是內(nèi)因和外因兩部分。內(nèi)因是地基土的凍脹、融沉、冰凍及冰融循環(huán)，這些是不可扭轉(zhuǎn)的自然規(guī)律，屬水工建筑破壞的內(nèi)因。而設(shè)計(jì)中未考慮凍脹作用或設(shè)計(jì)不合理，施工不當(dāng)及平時(shí)工程管理不善等人為因素促進(jìn)這些建筑物的凍脹破壞。這是水工建筑物凍害的外因。針對(duì)內(nèi)因采用防治措施，避免外因，精心設(shè)計(jì)及施工，加強(qiáng)工程管理。盡量減小和避免凍害的損失，這是季節(jié)性凍土地區(qū)水工建筑物凍害防護(hù)的任務(wù)。

關(guān)鍵詞：水工建筑物 凍害 防治措施

中圖分類號(hào)：F2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

水工建筑物凍害主要由水、氣、溫、壓四大因素的影響，其中以水和溫度為主要影響因素。土壤顆粒間是由水和氣充滿。而土顆粒表面又有結(jié)合水和自由水。在氣溫降至0℃以下時(shí)，液態(tài)的水將變?yōu)楣虘B(tài)的冰，體積增大。土的凍脹就是指土中的水因溫降至0℃以下結(jié)成冰，使土的體積增大的現(xiàn)象，在建筑物附近表現(xiàn)出土層表面不均勻的升高，待溫升融凍后土體又下沉。土體在凍脹過(guò)程中由于建筑物的阻擋，使建筑物表面受到凍脹土的作用力，垂直于表面的為法向凍脹力，平行于建筑物基礎(chǔ)表面的為切向凍脹力。這些力的大小與基礎(chǔ)砌置深度、氣溫高低、基礎(chǔ)形狀、地基土壤性質(zhì)等多種因素有關(guān)，要精確確定凍脹力的大小和分布。下面分別就水庫(kù)及渠系建筑物常遇凍脹破壞現(xiàn)象進(jìn)行概略介紹。

一、水庫(kù)凍害現(xiàn)象及原因

水庫(kù)凍害主要反應(yīng)在兩個(gè)方面：—是冰凍對(duì)水庫(kù)建筑物的破壞；二是凍脹對(duì)水庫(kù)建筑物的破壞。前者主要發(fā)生部位是在與水庫(kù)接觸面上，例如上游護(hù)坡，隧洞或涵洞進(jìn)口的墩柱及擋土墻等。后者是壩體本身，溢洪道側(cè)墻、底板以及排水體，消力池等其他部位。

（一）冰凍對(duì)水庫(kù)建筑物的破壞形式

1、冰對(duì)土壩護(hù)坡的破壞通常有冰推破壞、冰拔破壞和動(dòng)冰撞擊破壞。

（1）冰推破壞是在水庫(kù)基本不變或變化不大的條件下，冰層升溫膨脹產(chǎn)生的靜冰壓力將土壩的護(hù)坡推起造成破壞現(xiàn)象。在我國(guó)東北、西北比較寒冷地區(qū)的多數(shù)水庫(kù)都不同程度地存在這種現(xiàn)象。冰推破壞與壩坡土的凍脹壓力大小及護(hù)坡的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。冰推作用使護(hù)坡板沿墊層滑動(dòng)，對(duì)于護(hù)坡板塊不平整和整體性差時(shí)，并推后會(huì)出現(xiàn)局部隆起。若為小塊混凝土板。則沿水面附近幾塊被冰推后受上部護(hù)坡阻擋出現(xiàn)隆起架空。在冰層厚，冰壓力和凍結(jié)力均較大，護(hù)坡抗冰推能力強(qiáng)。這時(shí)產(chǎn)生護(hù)坡和凍土一起沿冰融交界面整體上推，有時(shí)上部會(huì)出現(xiàn)隆起脫空現(xiàn)象。

（2）冰拔破壞，冰層和護(hù)坡凍結(jié)在一起。庫(kù)水位上升時(shí)，護(hù)坡板、齒墻等被拔起、旋轉(zhuǎn)或松動(dòng)，庫(kù)水位下降，冰塊與護(hù)坡凍結(jié)在一起出現(xiàn)向下彎矩，護(hù)坡板翹起、齒墻向庫(kù)內(nèi)傾斜。庫(kù)水位下降愈陜，冰拔現(xiàn)象愈嚴(yán)重。特別對(duì)護(hù)坡板尺寸很小，表面粗糙及整體性差的預(yù)制板、塊石護(hù)坡等更為嚴(yán)重。

（3）動(dòng)冰撞擊破壞，主要發(fā)生在初春解凍時(shí)，庫(kù)內(nèi)冰裂成塊，在水力和風(fēng)力共同作用下向壩坡涌進(jìn)。大量冰塊被推上壩坡乃至超過(guò)壩頂，導(dǎo)致護(hù)坡及防浪墻被撞擊破壞。

2、壩坡土凍脹對(duì)護(hù)坡的破壞。

對(duì)于黏性土或壤土的均質(zhì)土壩或黏土心墻土壩來(lái)說(shuō)，在迎水坡沒有足夠厚度的防凍保護(hù)層時(shí)，水面上1-2M范圍土中含水量高，有充分水源補(bǔ)給，凍結(jié)過(guò)程中將產(chǎn)生大量析冰和厚冰夾層。

3、冰推對(duì)進(jìn)口建筑物的破壞。

冰推作用使進(jìn)水塔墩柱前后的壓力不平衡，因而造成墩柱斷裂。一般在季節(jié)性凍土地區(qū)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)水塔破壞較多。鋼筋混凝土墻體結(jié)構(gòu)破壞較少。

（二）凍脹對(duì)水庫(kù)建筑物的破壞

凍脹作用產(chǎn)生不規(guī)則的裂縫，分布和走向無(wú)一定規(guī)律。逐年在反復(fù)凍融作用下，不規(guī)則裂縫逐年增多。縫寬也逐年加大，嚴(yán)重時(shí)使板形基礎(chǔ)呈碎片狀，當(dāng)板形基礎(chǔ)寬度不大，兩側(cè)約束力強(qiáng)。如涵洞進(jìn)出口的底板，凍脹變形由于受兩側(cè)約束，裂縫一般呈縱向位于中間部位出現(xiàn)。

對(duì)于水工建筑物的閘底板、消力池底板、護(hù)坦等板式基礎(chǔ)，當(dāng)其底部地基凍脹時(shí)，將對(duì)板基產(chǎn)生法向凍脹力。這是對(duì)工程破壞的主要原因。

二、渠系建筑物凍害原因及破壞形式

在季節(jié)性凍土地區(qū)興建的水工建筑物，受凍脹和融沉使建筑物破壞現(xiàn)象比較普遍。嚴(yán)重影響這些建筑物的正常運(yùn)用和效益的發(fā)揮。

1、板型基礎(chǔ)的凍脹分析。

渠系建筑物中的涵、閘、護(hù)坦、跌水及渠道襯砌等都為板形基礎(chǔ)，這類板形基礎(chǔ)都不同程度地受到地基凍脹作用，前面水庫(kù)凍害中已經(jīng)提到，板型基礎(chǔ)主要受法向凍脹力的作用，作用力的大小與板型基礎(chǔ)的約束條件，面積大小砌置深度和凍結(jié)深度等有關(guān)，基礎(chǔ)面積愈小，法向凍脹力愈大。

2、擋土墻等支擋建筑物凍脹分析。

這類建筑物在冬季常受凍脹力的作用而產(chǎn)生傾斜、裂縫、斷裂和水平位移等現(xiàn)象，這些破壞現(xiàn)象的發(fā)生大多由于墻背受到法向凍脹力的作用所致。因此掌握支擋結(jié)構(gòu)物水平凍脹力及其變化規(guī)律，對(duì)正確進(jìn)行凍土地區(qū)水工建筑物設(shè)計(jì)及建筑物破壞原因分析是頗為有益的。

3、渠系建筑物凍脹破壞的形式。

渠系建筑物一般為中小型，本身自重較小，抗凍脹力弱。因此，受凍害破壞比較普遍，目前已成為我國(guó)北方地區(qū)水工建筑物設(shè)計(jì)和管理中較難解決的問題之一。季節(jié)性凍土地區(qū)水工建筑物凍害原因很多。歸納起來(lái)是內(nèi)因和外因兩部分。內(nèi)因是地基土的凍脹、融沉、冰凍及冰融循環(huán)，這些是不可扭轉(zhuǎn)的自然規(guī)律，屬水工建筑破壞的內(nèi)因。而設(shè)計(jì)中未考慮凍脹作用或設(shè)計(jì)不合理，施工不當(dāng)及平時(shí)工程管理不善等人為因素促進(jìn)這些建筑物的凍脹破壞。這是水工建筑物凍害的外因。針對(duì)內(nèi)因采用防治措施，避免外因，精心設(shè)計(jì)及施工，加強(qiáng)工程管理。盡量減小和避免凍害的損失，這是季節(jié)性凍土地區(qū)水工建筑物凍害防護(hù)的任務(wù)。